碳纤维增强树脂基复合材料微波间接加热固化工艺研究

发布时间：2020-06-29 23:31

【摘要】：碳纤维增强树脂基复合材料因为其优异性能在航空航天领域取得了越来越广泛的应用。传统热压罐成型技术存在工艺控制性差、固化时间长、能耗高等缺点。与热压罐成型方式相比,微波固化技术有工艺控制性好、加热速度快、能耗低等优点。然而微波固化技术存在多向铺层碳纤维增强树脂基复合材料难以有效加热和面内温度分布不均匀的问题。结合国家自然科学基金和航空企业的重大需求,本文针对这些问题进行了深入研究。研究成果如下:(1)针对多向铺层碳纤维增强树脂基复合材料在微波场中难以有效加热的问题,提出了微波间接加热固化的方法。采用吸波性能良好的短切碳纤维增强树脂基复合材料作为吸波介质,将微波能转化为热能用于加热固化复合材料构件。在此基础上设计了微波间接加热吸波模具,重点对短切碳纤维增强树脂基复合材料吸波层的性能进行了优化。此外,针对薄壁类和大厚度复合材料构件,采用有限元仿真和实验相结合的方法设计了微波间接加热固化工艺曲线。(2)针对微波加热过程中面内温度分布不均匀的问题,提出了基于时变电磁场的微波加热温度均匀性调节方法。微波加热过程中,通过控制多路微波源的开关状态和组合方式,在腔体中形成不断变化的电磁场,利用不同电磁场谐振状态对应的加热模式间存在的补偿效应提高被加热材料的面内温度均匀性。多次实验结果表明:腔体中的时变电磁场能有效改善微波加热过程中的温度均匀性,与静态电磁场相比,被加热材料面内温度均匀性提高了39.9%;与现有的旋转托盘调节方法相比,被加热材料面内温度均匀性提高了24.7%。(3)对多向铺层碳纤维增强树脂基复合材料微波间接加热方法进行了实验验证。实现了复合材料构件的有效固化。实验结果表明:对于薄壁类复合材料构件(厚度2mm),与传统电加热工艺相比,微波间接加热工艺的能耗降低72.9%,固化周期缩短42.1%,复合材料构件拉伸强度、压缩强度、弯曲强度和层间剪切强度与电加热工艺基本一致。对于大厚度(厚度20mm)复合材料构件,与电加热方法相比,微波间接加热方法具有良好的工艺控制性和跟随性;与传统固化工艺相比,优化后的新工艺有效控制了固化反应放热,避免了热冲击对复合材料构件质量的损伤,层间剪切强度提高了1.38倍。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V261.97
【图文】：

优异性能,在航,领域,聚合物基复合材料

南京航空航天大学硕士学位论文第一章绪论.1 研究背景和意义.1.1 先进复合材料的应用复合材料是指两种或两种以上具有独立性能的材料，通过物理或化学的方法组合形成具有全新性能的材料。根据其基体种类不同，常见的复合材料可分为金属基复合材料、非金属基复合材料和聚合物基复合材料。碳纤维增强树脂基复合材料（CFRPs）是一种的聚合物基复合材料，具有高比强度和比模量、抗疲劳、耐腐蚀等优点[1-2]，如图 1.1，被广泛应用于汽车、船舶、风力发电、航空航天等领域[3-4]。

用量,热压罐,复合材料,热量

图 1. 2 空客飞机复合材料用量1.1.2 热压罐固化技术与微波固化技术目前航空领域复合材料构件 80%以上采用热压罐成型技术[12]。热压罐成型技术的原是：通过风机将电热丝产生的热量均匀吹散到密闭罐体中，热量通过热传递和热传导的方经过工装和辅助材料逐步到达复合材料，由内而外的加热复合材料，冷却时通过循环水带热量，使工装和复合材料降温[13-15]。热压罐固化设备和原理如图 1.3 所示。复合材料热压固化工艺技术成熟，成型过程中罐内温度均匀，产品孔隙率低[16]。但通过与大型航空企合作发现，复合材料热压罐固化技术仍存在以下缺点[17-18]：（1）工艺控制性差。热压罐固化过程中，热量传递的路径为：电热丝—空气—工装辅助材料—复合材料。存在温度滞后的现象，导致工艺控制性差。（2）固化时间长。采用热压罐固化复合材料时，热量通过逐步传导的方式由外到内热复合材料，为了降低复合材料内外的温差，通常采用较低的升温速率和多个保温平台来证充分传热。因此固化工艺时间长，成型周期可达 10 小时[7]。（3）能耗高。复合材料热压罐固化过程中，热量经过多层介质逐步传递到复合材料

【参考文献】